JP2022543212A

JP2022543212A - heater

Info

Publication number: JP2022543212A
Application number: JP2022505479A
Authority: JP
Inventors: バックランド，ジャスティン・ローク; マーレイ，シアーシャ
Original assignee: レックスダイアグノスティックスリミテッド
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-10-11
Also published as: WO2021018807A1; US20220250080A1; EP4003600A1; AU2020321480A1; CA3148777A1; EP3769843A1; CN114375323A

Abstract

ＰＣＲ増幅を実行するための熱サイクリング用ヒータ。本ヒータは、反応セルへ熱を伝達するための反応面を有する熱拡散層と、冷却用背面を有するヒータトラック支持層と、ヒータトラック支持層と熱拡散層との間に支持される導電性の主ヒータトラックと、主ヒータトラックを駆動しかつ同時に主ヒータトラックの抵抗を検出するための電気接続を提供するように適合化される、主ヒータトラックへの４端子電気接点と、を備える。反応面の横方向寸法は、ヒータの厚さＨより大きく、よって、反応面の面積Ａ＞Ｈ２である。A heater for thermal cycling to perform PCR amplification. The heater comprises a heat spreading layer having a reaction surface for transferring heat to the reaction cells, a heater track support layer having a cooling back surface, and an electrically conductive layer supported between the heater track support layer and the heat spreading layer. and a four-terminal electrical contact to the main heater track adapted to provide an electrical connection for driving the main heater track and simultaneously sensing the resistance of the main heater track. The lateral dimension of the reaction surface is greater than the thickness H of the heater, so the area of the reaction surface A>H2.

Description

本発明は、ヒータの反応面に可変温度を与えるためのヒータに関する。 The present invention relates to a heater for providing variable temperatures to the reaction surface of the heater.

このようなヒータが必要とされる１つの例示的なプロセスは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によるＤＮＡ増幅であり、この場合、ヒータは、ＰＣＲの完了時間を短縮する高速熱サイクリングを提供する。 One exemplary process in which such heaters are required is DNA amplification by polymerase chain reaction (PCR), where heaters provide rapid thermal cycling that shortens PCR completion time.

従来技術のヒータは、電気絶縁基板により支持される導電性トラックから製造される。従来技術のヒータは、ヒータ温度を検出するための別個の温度センサと、ヒータに合わせて電気駆動を変調するための制御アルゴリズムおよび電子駆動回路とを用いて制御される。 Prior art heaters are fabricated from conductive tracks supported by an electrically insulating substrate. Prior art heaters are controlled using a separate temperature sensor to detect the heater temperature and a control algorithm and electronic drive circuit to modulate the electrical drive to the heater.

高速熱応答を提供するために、ヒータは、低い熱容量を有していなければならず、かつヒータは、反応面と密に熱接触していなければならない。具体的には、ヒータエレメントから反応面までの熱拡散時間は、要求される温度変化応答時間より短くなければならず、よって、ヒータと反応面とを分離できるのは、薄層のみである。 To provide a fast thermal response, the heater should have a low heat capacity and the heater should be in intimate thermal contact with the reaction surface. Specifically, the heat diffusion time from the heater element to the reaction surface must be less than the required temperature change response time, so only a thin layer can separate the heater and reaction surface.

従来のヒータおよび温度制御システムには、高速応答、精密な温度制御および均一な温度分布を達成しようとする場合に幾つかの欠点がある。 Conventional heaters and temperature control systems have several drawbacks when trying to achieve fast response, precise temperature control and uniform temperature distribution.

たとえば、ヒータから分離された温度センサを使用すると、応答速度を低下させる、または温度オーバーシュートを引き起こす可能性があるヒータ制御ループの遅延が生じる。 For example, using a temperature sensor that is separate from the heater introduces delays in the heater control loop that can slow response speed or cause temperature overshoot.

さらに、反応面の近くに位置決めされる空間的に分離された抵抗加熱トラック内の発熱により、結果として温度不均一性が生じ、ヒータトラックの真上により高温の領域が、およびヒータトラック間の間隙上により低温の領域が生じる。反応面上の温度不均一性は、ＰＣＲ増幅の効率および特異度を低下させる場合があり、望ましくない。したがって、本発明の目的は、温度均一性を高めることにあり、ここで、温度均一性の向上および温度均一性の増加という言及は、等価である。 In addition, heat generation in spatially separated resistive heating tracks positioned near the reaction surface results in temperature non-uniformity, with hotter regions directly above the heater tracks and in the gaps between the heater tracks. A region of lower temperature occurs at the top. Temperature non-uniformity over the reaction surface can reduce the efficiency and specificity of PCR amplification and is undesirable. It is therefore an object of the present invention to improve temperature uniformity, where references to improved temperature uniformity and increased temperature uniformity are equivalent.

反応面における温度不均一性は、より狭いトラックおよび間隙を用いることによって低減されることが可能であるが、これは、標準的なプリント回路基板技術を用いる製造を複雑にする。反応面における温度不均一性は、ヒータトラックと反応面との距離を増加させることによっても低減されることが可能であるが、これにより、ヒータから反応面までの熱拡散時間が増し、かつヒータ応答が遅くなる。 Temperature non-uniformity at the reaction surface can be reduced by using narrower tracks and gaps, but this complicates manufacturing using standard printed circuit board technology. Temperature non-uniformity at the reaction surface can also be reduced by increasing the distance between the heater track and the reaction surface, but this increases the heat diffusion time from the heater to the reaction surface and Slow response.

温度不均一性は、ヒータの温度が側方熱流に起因してエッジで低下するエッジ効果によっても生じる。従来技術において、エッジ効果は、ヒータのエッジ近くの熱出力を、たとえば、これらの部位におけるヒータエレメントのトラックおよび間隙の幅を減らすことによって増大させるヒータ・トラック・パターン設計によって低減される。しかしながら、この手法は、特定の動作温度ならびに反応面の幾何学的形状および熱負荷に合わせて慎重に設計される必要があり、また、ヒータトラックおよび間隙の幅が、既に標準的な製造プロセスにとって実用的である最小値に近いものである場合には、達成が困難であり得る。また、温度不均一性を最小限に抑えるためには、ヒータの中央エリアにおいてもヒータトラックおよび間隙の幅を最小限に抑えることが望ましく、よって、ヒータのエッジに近いヒータトラックおよび間隙の幅をさらに減らすことは、困難である。 Temperature non-uniformity is also caused by edge effects, where the temperature of the heater drops at the edges due to lateral heat flow. In the prior art, edge effects are reduced by heater track pattern designs that increase the heat output near the edges of the heater, for example, by reducing the width of the heater element tracks and gaps at these locations. However, this approach needs to be carefully designed for the specific operating temperature and reaction surface geometry and heat load, and the heater track and gap widths are already too large for standard manufacturing processes. Anything close to the minimum that is practical can be difficult to achieve. Also, to minimize temperature non-uniformity, it is desirable to minimize the width of the heater tracks and gaps even in the central area of the heater, so the width of the heater tracks and gaps near the edges of the heater should be minimized. Further reduction is difficult.

ヒータ電力が低減される場合の迅速な冷却を可能にするために、ヒータは、制御された熱抵抗を介してヒートシンクへ接続されることがある。しかしながら、ヒータの温度均一性は、ヒータとヒートシンクとの間の熱接触の均一性に依存する。具体的には、ヒータとヒートシンクとの間の空隙はいずれも、かなりの熱抵抗および温度不均一性を生じさせる可能性がある。 The heater may be connected to a heat sink through a controlled thermal resistance to allow rapid cooling when heater power is reduced. However, the temperature uniformity of the heater depends on the uniformity of thermal contact between the heater and the heat sink. Specifically, any air gap between the heater and heat sink can create significant thermal resistance and temperature non-uniformities.

上述の課題および目的に鑑みて、本発明は、ＰＣＲ増幅を実行するための熱サイクリング用ヒータを提供する。本ヒータは、反応セルへ熱を伝達するための反応面を有する熱拡散層と、冷却用背面を有するヒータトラック支持層と、ヒータトラック支持層と熱拡散層との間に支持される導電性の主ヒータトラックと、主ヒータトラックを駆動しかつ同時に主ヒータトラックの抵抗を検出するための電気接続を提供するように適合化される、主ヒータトラックへの４端子電気接点と、を備える。反応面の横方向寸法は、ヒータの厚さＨより大きく、よって、反応面の面積Ａ＞Ｈ^２である。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems and objectives, the present invention provides a heater for thermal cycling for performing PCR amplification. The heater comprises a heat spreading layer having a reaction surface for transferring heat to the reaction cells, a heater track support layer having a cooling back surface, and an electrically conductive layer supported between the heater track support layer and the heat spreading layer. and a four-terminal electrical contact to the main heater track adapted to drive the main heater track and at the same time provide an electrical connection for sensing the resistance of the main heater track. The lateral dimension of the reaction surface is greater than the thickness H of the heater, so the area of the reaction surface ^A >H2.

好ましくは、主ヒータトラックは、幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}を有しかつ幅Ｗ_ｇａｐの間隙により分離される複数の略平行なトラックセクションを備える中央領域を備え、熱拡散層の厚さＨ_Ｄは、トラックセクションの最小幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}より小さく、または間隙の最小幅Ｗ_ｇａｐより小さく、Ｗ_{ｔｒａｃｋ}またはＷ_ｇａｐは、主ヒータトラックの中央領域において評価される。これは、主ヒータトラックが、ＰＣＢ製造技術を用いて製造され得ることを意味する。また、これは、ヒータが、急速な温度変化を要求する多くの用途にとって十分な薄さであることも意味する。 Preferably, the main heater track comprises a central region having a width W _track and comprising a plurality of substantially parallel track sections separated by gaps of width W _gap , the heat spreading layer thickness H _D being equal to the track sections or less than the minimum width _Wgap of the _gap , _Wtrack or _Wgap is evaluated in the central region of the main heater track. This means that the main heater track can be manufactured using PCB manufacturing techniques. This also means that the heater is thin enough for many applications requiring rapid temperature changes.

好ましくは、間隙幅Ｗ_ｇａｐおよび／またはトラックセクションの幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}は、主ヒータトラックのエッジに近いトラックセクションのほうが、主ヒータトラックの中央領域内のトラックセクションより少ない。これにより、主ヒータトラックの中央領域内の温度均一性が向上する。 Preferably, the gap width W _gap and/or the track section width W _track is smaller in track sections near the edges of the main heater track than in track sections in the central region of the main heater track. This improves temperature uniformity within the central region of the main heater track.

好ましくは、ヒータは、さらに、ヒータトラック支持層と熱拡散層との間のガード・ヒータ・トラックであって、該ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータトラックを略包囲する、ガード・ヒータ・トラックと、主ヒータトラックへの４端子電気接点とは独立している、ガード・ヒータ・トラックへのさらなる２つの電気接点と、を備える。これは、側方熱流を抑止し、かつ主ヒータトラックの平面における温度均一性を高める。 Preferably, the heater further comprises a guard heater track between the heater track supporting layer and the heat spreading layer, the guard heater track substantially surrounding the main heater track. and two additional electrical contacts to the guard heater track that are independent of the four-terminal electrical contact to the main heater track. This suppresses lateral heat flow and increases temperature uniformity in the plane of the main heater track.

好ましくは、ヒータトラック支持層は、１×１０^－４～１×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の、より好ましくは、３×１０^－４～３×１０^－３Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の、熱抵抗と面積との積を有する。 Preferably, the heater track support layer has a temperature of 1×10 ⁻⁴ to 1×10 ⁻² K.V. m ² /W range, more preferably 3×10 ⁻⁴ to 3×10 ⁻³ K.V. It has a product of thermal resistance and area in the range of m ² /W.

好ましくは、ヒータは、さらに、熱拡散層またはヒータトラック支持層のうちの一方と接触して、または該一方の内部に位置決めされる反応面ヒートスプレッダ層を備える。これにより、反応面における温度均一性が向上する。 Preferably, the heater further comprises a reactive surface heat spreader layer positioned in contact with or within one of the heat spreading layer or the heater track support layer. This improves the temperature uniformity on the reaction surface.

好ましくは、反応面ヒートスプレッダ層は、熱拡散層またはヒータトラック支持層のうちの一方に比べて、熱伝導性が高く、より高い横方向熱伝導率を有し、かつより低い熱容量を有する。 Preferably, the reactive surface heat spreader layer is highly thermally conductive, has a higher lateral thermal conductivity, and has a lower heat capacity than one of the heat spreading layer or the heater track support layer.

好ましくは、反応面ヒートスプレッダ層は、ヒータトラック支持層内に、主ヒータトラックから距離Ｌ_ｓを隔てて位置決めされ、Ｌ_ｓは、中央領域において評価されるヒータトラック幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}およびヒータ間隙幅Ｗ_ｇａｐの最小値の２０％未満である。これにより、反応面における温度均一性がさらに向上する。 Preferably, the reactive surface heat spreader layer is positioned within the heater track support layer at a distance L _s from the main heater track, where L _s is the heater track width W _track and the heater gap width W _gap measured in the central region. is less than 20% of the minimum value of This further improves the temperature uniformity on the reaction surface.

好ましくは、背面に、背面ヒートスプレッダ層が位置決めされる。これにより、反応面における温度均一性が向上することに加えて、背面に隣接するあらゆるヒートシンクとの熱接触が向上する。 Preferably, a backside heat spreader layer is positioned on the backside. This improves the thermal contact with any heat sink adjacent to the back surface in addition to improving the temperature uniformity on the reaction surface.

好ましくは、ヒータは、さらに、背面と接触するヒートシンクを備える。これは、ヒータが駆動されていないときにヒータの温度を下げる効果を有する。 Preferably, the heater further comprises a heat sink in contact with the back surface. This has the effect of lowering the temperature of the heater when the heater is not activated.

別の態様において、本発明は、ヒータと、反応面に接触して配置される反応セルとを備える使い捨て消耗品を提供する。 In another aspect, the invention provides a disposable consumable comprising a heater and a reaction cell positioned in contact with a reaction surface.

別の態様において、本発明は、ヒータまたは可変温度反応器の動作方法であって、主ヒータトラックを駆動することと、主ヒータトラックの抵抗を同時に検出することと、検出された抵抗に基づいて、主ヒータトラックの温度を計算すること、を含む方法を提供する。 In another aspect, the invention is a method of operating a heater or variable temperature reactor comprising: driving a main heater track; simultaneously sensing resistance of the main heater track; , calculating the temperature of the main heater track.

好ましくは、本方法は、ＰＣＲ増幅を実行すべく反応面の温度を循環させるために、主ヒータトラックの一連の温度設定点に従って主ヒータトラックのフィードバックベースの駆動を実行することを含む。 Preferably, the method includes performing feedback-based driving of the main heater track according to a series of temperature setpoints for the main heater track to cycle the temperature of the reaction surface to perform PCR amplification.

好ましくは、本方法は、さらに、ガード・ヒータ・トラックを、主ヒータトラックより高い単位面積当たりの熱出力を提供するように駆動することを含む。 Preferably, the method further includes driving the guard heater tracks to provide a higher heat output per unit area than the main heater tracks.

好ましくは、前述のヒータまたは使い捨て消耗品は、さらに、前述の方法を実行するように構成される制御回路を備える。 Preferably, said heater or disposable consumable further comprises control circuitry configured to carry out said method.

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

ヒータとヒートシンクとを備える本発明の一実施形態を示す略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the invention comprising a heater and a heat sink; FIG. 該実施形態のヒータにおけるヒータトラックおよび電気接続部の２つの例示的な略配置を示す。2 shows two exemplary schematic arrangements of heater tracks and electrical connections in the heater of the embodiment; ヒータトラックを駆動するために使用可能な電子回路を示す略図である。Fig. 4 is a schematic diagram showing an electronic circuit that can be used to drive the heater track; 図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の一実施形態によるガードヒータのシミュレートされた温度分布、およびガードヒータなしの温度分布との比較を示す。Figures 4A and 4B show a simulated temperature distribution for a guard heater according to one embodiment of the invention and a comparison to the temperature distribution without the guard heater. 該実施形態のヒータを示す別の略断面図である。It is another schematic sectional drawing which shows the heater of this embodiment. 図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態による、可変厚さおよび２つの異なる位置におけるヒートスプレッダを用いてシミュレートされた温度分布を示す。図６Ｃおよび図６Ｄは、異なるヒータトラックとの相対位置にあるヒートスプレッダを用いてシミュレートされた温度分布を示す。6A and 6B show simulated temperature distributions with heat spreaders of variable thickness and two different positions according to embodiments of the present invention. Figures 6C and 6D show simulated temperature distributions using the heat spreader in different positions relative to the heater tracks. 図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の実施形態による、背面ヒートスプレッダを用いてミュレートされた温度分布、背面ヒートスプレッダなしでミュレートされた温度分布を示す。7A and 7B show simulated temperature distributions with and without a rear heat spreader, according to embodiments of the present invention. 本発明の一実施形態によるヒータの、ＰＣＲ熱サイクリングの間のヒータトラック温度および反応面温度の変動を示す。Figure 3 shows the variation of heater track temperature and reaction surface temperature during PCR thermal cycling for a heater according to one embodiment of the present invention. 本発明によるヒータ１００における抵抗加熱トラックの代替配置図を示す。FIG. 4 shows an alternative layout of resistive heating tracks in heater 100 according to the present invention. 熱サイクルに保持ステップが含まれる場合の熱抵抗の例示的な範囲を示す。4 shows an exemplary range of thermal resistance when the thermal cycle includes a hold step;

以下、ＰＣＲ増幅のための熱サイクリングを実行することに適する、例示的なヒータについて説明する。熱サイクリングは、温度変化に要求される時間が熱サイクリングの合計時間の大部分を占めないほどの高速で実行されることが望ましい。熱サイクリングの合計時間は、温度変化の時間と反応時間との和であって、ＰＣＲ反応の最遅部分は、伸長相であり、これは、典型的な配列長さである１００塩基対で約１秒以上を必要とする。したがって、目標を、温度ランピング時間＜１秒とする。ＰＣＲの標的温度は、典型的には、６０℃～９５℃であり、よって、温度変化時間を１秒にまで短縮するための加熱および冷却には、７０℃／秒以上の温度傾斜速度が必要である。これより遙かに高い温度傾斜速度（２００℃／秒以上）の場合、必要とされる合計時間の多くを温度変化に必要とされる時間ではなく反応時間によって占められるという理由で、提供される速度上の利点は限定的である。 Exemplary heaters suitable for performing thermal cycling for PCR amplification are described below. Thermal cycling is desirably performed so fast that the time required for temperature change does not dominate the total thermal cycling time. The total thermal cycling time is the temperature change time plus the reaction time, and the slowest part of the PCR reaction is the extension phase, which is about Requires more than 1 second. Therefore, the goal is to have a temperature ramping time <1 second. The target temperature for PCR is typically 60° C.-95° C., thus heating and cooling to reduce the temperature ramp time to 1 second requires a temperature ramp rate of 70° C./s or greater. is. For much higher temperature ramp rates (greater than 200° C./s) this is provided because much of the total time required is taken up by the reaction time rather than the time required for the temperature change. The speed advantage is limited.

後述する一実施形態において、高速熱サイクリングを実行するためのヒータは、従来のヒータおよび温度制御システムに関わる欠点なしに、約１００℃／秒の温度傾斜速度を有する。 In one embodiment described below, a heater for performing fast thermal cycling has a temperature ramp rate of approximately 100° C./sec without the drawbacks associated with conventional heaters and temperature control systems.

ヒータは、たとえば、使い捨て消耗品として反応セルと共に配置されてもよい。使い捨て消耗品は、１回の反応検査の実行に必要な試薬および電力を供給され、その後廃棄されてもよい。 A heater may, for example, be placed with the reaction cell as a disposable consumable. Disposable consumables may be supplied with the reagents and power required to perform a single reaction test and then discarded.

ヒータは、以下のエレメント、すなわち、ヒータトラックの温度依存抵抗を介する同時的な加熱および温度検出を可能にするように構成される主ヒータトラックと、主ヒータトラックを略包囲するガード・ヒータ・トラックと、ヒータトラックと反応面との間に位置決めされる熱拡散層と、ヒータトラックとヒータ背面との間に位置決めされるヒータ支持層と、を含む。また、ヒータには、ヒータ駆動力が低下するとヒータを急冷できるように、背面と熱接触するヒートシンクも設けられてもよい。 The heater comprises the following elements: a main heater track configured to allow simultaneous heating and temperature sensing via a temperature dependent resistance of the heater track, and a guard heater track substantially surrounding the main heater track. a heat spreading layer positioned between the heater track and the reaction surface; and a heater support layer positioned between the heater track and the heater backside. The heater may also be provided with a heat sink in thermal contact with the back surface so that the heater can be rapidly cooled when the heater driving force is reduced.

図１は、ヒータ１００とヒートシンク２００とを備える本発明の一実施形態の略断面を示す。 FIG. 1 shows a schematic cross-section of one embodiment of the invention comprising a heater 100 and a heat sink 200. FIG.

ヒータ１００は、一方の面上に反応面１１０を、かつ反対側の面上に背面１２０を有する。反応面１１０は、ヒータにより、時変的かつ略空間均一的な温度を提供するように加熱される。背面１２０は、ヒータ１００が駆動されないときの冷却を可能にすべく、ヒートシンク２００と熱接触している。 Heater 100 has a reaction surface 110 on one side and a back surface 120 on the opposite side. The reaction surface 110 is heated by a heater to provide a time-varying and substantially spatially uniform temperature. Back surface 120 is in thermal contact with heat sink 200 to allow cooling when heater 100 is not activated.

以下の説明では、軸方向を反応面に対して垂直であるものとして、かつ横方向を反応面の平面内にあるものとして定義する。 In the following description, the axial direction is defined as being perpendicular to the reaction surface and the lateral direction as being in the plane of the reaction surface.

ヒータは、反応面を抵抗加熱するための主ヒータトラック１３０を備える。しかしながら、温度制御の精度を低下させる、反応面に渡る温度勾配および温度不均一性に関連づけられる側方熱流は、制限することが望ましい。 The heater comprises a main heater track 130 for resistively heating the reaction surface. However, it is desirable to limit lateral heat flow associated with temperature gradients and temperature non-uniformities across the reaction surface, which reduces the accuracy of temperature control.

主ヒータトラック部位内の側方熱流を制限するために、主ヒータトラック１３０は、ガード・ヒータ・トラック１４０によって略包囲される。ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータトラックのエッジ近くに位置決めされ、かつ主ヒータトラックの目標温度に近い、またはこれより高い温度を維持するように駆動される、追加のヒータトラックである。ガード・ヒータ・トラックの単位面積当たりの熱出力は、側方の熱損失を補償するために、主ヒータトラックのそれより高い。ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータとは独立して駆動されてもよい。主ヒータトラック１３０およびガード・ヒータ・トラック１４０は、たとえば、銅などの金属から形成されてもよい。 The main heater track 130 is generally surrounded by a guard heater track 140 to limit lateral heat flow within the main heater track area. A guard heater track is an additional heater track positioned near the edge of the main heater track and driven to maintain a temperature near or above the target temperature of the main heater track. The heat output per unit area of the guard heater tracks is higher than that of the main heater tracks to compensate for lateral heat losses. A guard heater track may be driven independently of the main heater. Main heater track 130 and guard heater track 140 may be formed from a metal such as copper, for example.

主ヒータトラック１３０およびガード・ヒータ・トラック１４０は、ヒータトラック支持層１５０と熱拡散層１６０との間に位置決めされる。ヒータトラック支持層１５０は、たとえば、ＦＲ４もしくはポリイミドまたは別の電気絶縁支持材料から構築されるプリント回路を備えてもよい。 Main heater track 130 and guard heater track 140 are positioned between heater track support layer 150 and heat spreading layer 160 . The heater track support layer 150 may comprise printed circuitry constructed from, for example, FR4 or polyimide or another electrically insulating support material.

反応面のヒートスプレッダ層１７０、１８０は、ヒータトラック支持層１５０および熱拡散層１６０の各々の内部に、またはこれと接触して存在する。反応面のヒートスプレッダ層１７０、１８０は、熱拡散層またはヒータトラック支持層より高い熱伝導率を有する材料製の層である。これらの反応面ヒートスプレッダ層の機能は、反応面１１０上の温度均一性を高めることにある。これらの反応面ヒートスプレッダ層は、各々、厚さＨ_Ｓ、熱伝導率ｋ_Ｓ、密度ρ_ｓ、および比熱容量Ｃ_ｓを有し、一方で、ヒータトラック支持層１５０および熱拡散層１６０は、各々、個々の厚さＨ_Ｂ、Ｈ_Ｄ、熱伝導率ｋ_Ｂ、ｋ_Ｄ、密度ρ_Ｂ、ρ_Ｄ、および比熱容量Ｃ_Ｂ、Ｃ_Ｄを有する。高速温度応答を維持しながら温度均一性を高めるために、反応面ヒートスプレッダ層は、ヒータトラック支持層１５０／熱拡散層１６０より大きい横方向熱伝導率および／またはより低い熱容量を有するものでなければならない。ヒートスプレッダ層が熱拡散層より大きい横方向熱伝導率を有するためには、
Ｈ_Ｓｋ_Ｓ＞Ｈ_Ｄｋ_Ｄである。ヒートスプレッダ層が熱拡散層より低い熱容量を有するためには、Ｈ_Ｓρ_ＳＣ_Ｓ＜Ｈ_Ｄρ_ＤＣ_Ｄである。ヒータ支持層の場合、これらの条件は、各々、Ｈ_Ｓｋ_Ｓ＞Ｈ_Ｂｋ_ＢおよびＨ_Ｓρ_ＳＣ_Ｓ＜Ｈ_Ｂρ_ＢＣ_Ｂで置き換えられる。 The reactive surface heat spreader layers 170 , 180 reside within or in contact with each of the heater track support layer 150 and the heat spreading layer 160 . The reaction surface heat spreader layers 170, 180 are layers of material having a higher thermal conductivity than the heat spreading layer or heater track support layer. The function of these reaction surface heat spreader layers is to enhance temperature uniformity over the reaction surface 110 . These reactive surface heat spreader layers each have a thickness H _s , thermal conductivity k _s , density ρ _s , and specific heat capacity C _s , while heater track support layer 150 and heat spreading layer 160 each have a , respective thicknesses H _B , H _D , thermal conductivities k _B , k _D , densities ρ _B , ρ _D and specific heat capacities C _B , C _D . To enhance temperature uniformity while maintaining fast temperature response, the reaction surface heat spreader layer should have a greater lateral thermal conductivity and/or a lower heat capacity than the heater track support layer 150/heat spreading layer 160. not. In order for the heat spreader layer to have a greater lateral thermal conductivity than the heat spreading layer,
H _S k _S >H _D _kD . For the heat spreader layer to have a lower heat capacity than the heat spreading layer, H _S ρ _S _CS < _HD ρ _D _CD . For the heater support layer, these conditions are replaced by H _S k _S >H _B k _B and H _S ρ _S _C _S <H _B ρ _BCB , respectively.

反応面のヒートスプレッダ層１７０、１８０は、各々、主ヒータトラック１３０の近くへ位置決めされる。この具体例において、熱拡散層１６０における反応面のヒートスプレッダ層１７０は、主ヒータトラックの上面から１０μｍの距離に設けられ、かつヒータトラック支持層１５０における反応面のヒートスプレッダ層１８０は、主ヒータトラックの下面から５μｍの距離に設けられる。 The reaction surface heat spreader layers 170 , 180 are each positioned near the main heater track 130 . In this embodiment, the reactive surface heat spreader layer 170 in the heat spreading layer 160 is provided at a distance of 10 μm from the top surface of the main heater track, and the reactive surface heat spreader layer 180 in the heater track support layer 150 is located at a distance of 10 μm from the main heater track. It is provided at a distance of 5 μm from the lower surface.

背面１２０にも、反応面１１０上の温度均一性を高めるために、背面ヒートスプレッダ１９０が設けられる。 Backside 120 is also provided with a backside heat spreader 190 to improve temperature uniformity over reaction surface 110 .

ヒートシンク２００は、図１に示す中実ブロックおよび図７に示す後述する個々のピラーを含む、任意の形態をとり得る。背面のヒートスプレッダ１９０は、ヒータトラック支持層とヒートシンクとの間の熱接触の均一さを保証できない場合に、特に有用である。 Heat sink 200 may take any form, including the solid block shown in FIG. 1 and the individual pillars shown in FIG. 7 and described below. The backside heat spreader 190 is particularly useful when uniformity of thermal contact between the heater track support layer and the heat sink cannot be guaranteed.

主ヒータトラックとの良好な熱接触を達成するために、主ヒータトラックと背面ヒートスプレッダまたはヒートシンクとの間の熱抵抗と面積との積は、好ましくは、１×１０^－４～１×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲内であるべきであり、より好ましくは、３×１０^－４～３×１０^－３Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲内であるべきである。 In order to achieve good thermal contact with the main heater track, the product of thermal resistance and area between the main heater track and the backside heat spreader or heat sink is preferably between 1×10 ⁻⁴ and 1×10 ⁻² K. m ² /W, more preferably 3×10 ⁻⁴ to 3×10 ⁻³ K.V. It should be in the range m ² /W.

ヒータおよびヒートシンク（使用される場合）は、平面形状または湾曲形状を有することが可能である。平面形状は、構築のし易さ、およびヒータの使用目的である反応の光学的監視のし易さの点で、好ましいものであり得る。しかしながら、一部球形または円筒形などの他の形状も可能であって、これらは、張力をかけられる可撓性の反応セルおよびヒータ層が互いに、かつ典型的には剛性金属部品であるヒートシンクとの間で良好な熱接触を行えることにおいて、利点を有し得る。 The heater and heat sink (if used) can have a planar or curved shape. A planar geometry may be preferred for ease of construction and ease of optical monitoring of reactions for which the heater is intended. However, other shapes such as part spheres or cylinders are also possible, these being the tensioned flexible reaction cell and the heater layer against each other and with the heat sink, which is typically a rigid metal part. can have advantages in that good thermal contact can be made between

図２は、主ヒータトラック１３０と、ガード・ヒータ・トラック１４０と、これらのヒータトラックへの電気接続とを含む、ヒータ１００における抵抗加熱トラックおよび電気接続の２つの例示的な略配置を示す。 FIG. 2 shows two exemplary schematic arrangements of resistive heating tracks and electrical connections in heater 100, including main heater tracks 130, guard heater tracks 140, and electrical connections to these heater tracks.

図２（ｉ）および図２（ｉｉ）に示すように、これらの実施形態の主ヒータトラック１３０は、蛇行構成を有する。あるいは、主ヒータトラック１３０は、並列に位置決めされる、かつ同じく並列に電気接続される複数のトラックセクションを備えてもよい。同様に、図２（ｉ）および図２（ｉｉ）に示すように、これらの実施形態のガード・ヒータ・トラック１４０も、蛇行構成を有する。図２の実施例から分かるように、実施形態によっては、ガード・ヒータ・トラック１４０は、主ヒータトラック１３０を完全には包囲せず、主ヒータトラック１３０を、主ヒータトラックのエリア内の側方熱流を制限する効果を達成するために必要とされる程度に略包囲する。多くの実施形態において、この要件は、ガード・ヒータ・トラック１４０が、主ヒータトラック１３０の周囲長さの５０％超を包囲することに相当する。 As shown in Figures 2(i) and 2(ii), the main heater track 130 of these embodiments has a serpentine configuration. Alternatively, the main heater track 130 may comprise multiple track sections positioned in parallel and also electrically connected in parallel. Similarly, as shown in Figures 2(i) and 2(ii), the guard heater track 140 of these embodiments also has a serpentine configuration. As can be seen from the example of FIG. 2, in some embodiments, the guard heater track 140 does not completely enclose the main heater track 130, but leaves the main heater track 130 laterally within the area of the main heater track. Substantially surround to the extent required to achieve the effect of restricting heat flow. In many embodiments, this requirement corresponds to guard heater track 140 surrounding more than 50% of the perimeter of main heater track 130 .

図２（ｉ）は、主ヒータトラック１３０においてトラック幅および間隙幅が均一であるヒータを示し、一方で、図２（ｉｉ）は、中央領域１３１においてトラック幅および間隙幅がより大きく、ヒータのエッジ１３３の近くでヒータトラック幅および間隙幅がより小さい主ヒータトラック１３０を示す。エッジ領域１３３は、増加された単位面積当たりの熱出力を提供し、かつ、ヒータのエッジに対して垂直方向の熱伝導率を下げかつこれにより中央領域１３１における側方熱流を低減して温度均一性を高めるべく、ヒータのエッジに対して平行に配向されるトラックも含む。 FIG. 2(i) shows a heater with uniform track and gap widths in the main heater track 130, while FIG. Main heater track 130 is shown with smaller heater track and gap widths near edge 133 . Edge regions 133 provide increased heat output per unit area and lower thermal conductivity perpendicular to the edges of the heater and thereby reduce lateral heat flow in central region 131 for temperature uniformity. It also includes tracks that are oriented parallel to the edges of the heaters to increase the efficiency.

空間的に分離された温度センサは、主ヒータトラックにおける温度変化と温度センサにおける温度変化との間にタイムラグを引き起こす可能性もある。このタイムラグは、ヒータエレメント温度のオーバーシュートまたは揺動などの問題を引き起こす可能性もある。これらの問題を回避するために、主ヒータトラックは、ヒータエレメントの抵抗を用いてその温度を決定する温度センサとして構成される。金属製のヒータエレメントは、通常、正の抵抗温度係数を有するが、金属酸化物または半導体製のヒータエレメントは、負の温度係数を有する。ヒータエレメントの抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きさは、大きいことが望ましく、好ましくは、５００ｐｐｍ／Ｋ超であり、より好ましくは、２，５００ｐｐｍ／Ｋ超であることが望ましい。 Spatially separated temperature sensors can also cause a time lag between temperature changes in the main heater track and temperature changes in the temperature sensor. This time lag can also cause problems such as heater element temperature overshoots or fluctuations. To avoid these problems, the main heater track is configured as a temperature sensor that uses the resistance of the heater element to determine its temperature. Metal heater elements typically have a positive temperature coefficient of resistance, while metal oxide or semiconductor heater elements have a negative temperature coefficient. The magnitude of the temperature coefficient of resistance (TCR) of the heater element is desirably high, preferably greater than 500 ppm/K, and more preferably greater than 2,500 ppm/K.

主ヒータトラック１３０は、電気駆動用正接続部１３２および負接続部１３４と、電圧検出用Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}正接続部１３６および負接続部１３８とを備える４線接続を有する。Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}の測定値は、図３に示すような回路を用いてトラック抵抗を精密に監視するために使用されることが可能である。主ヒータトラック１３０の既知の抵抗温度係数ＴＣＲ、または所望の温度設定点と組み合わせて、Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}は、主ヒータトラック１３０の温度検出を実行するために使用されることが可能である。駆動および検出の双方に従来の２線接続を用いる代わりに、主ヒータトラックの駆動用と主ヒータトラックに渡る電圧検出用とで別々の接点を有する４線接続を用いることには、電流を主ヒータトラックへ供給する接続部の内部抵抗に起因する電圧降下が排除されるという利点がある。 The main heater track 130 has a four wire connection with positive and negative connections 132 and 134 for electrical drive and V _sense positive and negative connections 136 and 138 for voltage sensing. The V _sense measurement can be used to precisely monitor track resistance using a circuit such as that shown in FIG. In combination with the known temperature coefficient of resistance TCR of the main heater track 130, or the desired temperature set point, _Vsense can be used to perform temperature sensing of the main heater track 130. FIG. Instead of using the conventional two-wire connection for both driving and sensing, using a four-wire connection with separate contacts for driving the main heater track and for sensing the voltage across the main heater track allows the current to flow through the main heater track. Advantageously, the voltage drop due to the internal resistance of the connection feeding the heater track is eliminated.

ガード・ヒータ・トラック１４０は、主ヒータトラック１３０とは独立して駆動されるべき正の接続部１４２と、負の接続部１４４とを有する。 Guard heater track 140 has a positive connection 142 and a negative connection 144 to be driven independently of main heater track 130 .

図３は、主ヒータトラックを駆動し、同時に主ヒータトラックの抵抗を検出しかつ検出される抵抗に基づいて主ヒータトラックの温度を計算するために使用されることが可能な供給接続部Ｖ_ｐｏｓおよびＶ_ｎｅｇにより駆動される、電子回路を略示している。このような制御回路は、ヒータ１００と共に包含される場合もあれば、ヒータの使用中に接続される可能性もある。図３を参照すると、電流は、ヒータトラック１３０を、正の駆動接続部１３２および負の駆動接続部１３４を介して流れる。ヒータトラックには、ヒータトラックを通した電圧Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}が、正電圧検出接点１３６および負電圧検出接点１３８および電圧測定回路３１０を用いて測定されることを可能にする、４線接点が装備される。ヒータトラック１３０を通って流れる電流は、抵抗Ｒ_{ｉｓｅｎｓｅ}が既知である電流検出抵抗器３２０と、電流検出抵抗器を通した電圧Ｖ_{ｉｓｅｎｓｅ}を測定するための電圧測定回路３３０とを用いて測定される。ヒータを通る電流は、Ｉ_{ｈｅａｔｅｒ}＝Ｖ_{ｉｓｅｎｓｅ}／Ｒ_{ｉｓｅｎｓｅ}として計算される。次には、ヒータトラック１３０の抵抗が、Ｒ_{ｈｅａｔｅｒ}＝Ｖ_{ｓｅｎｓｅ}／Ｉ_{ｈｅａｔｅｒ}として計算される。次には、フィードバックをベースとする主ヒータトラックの駆動が、一連の温度設定点に従って実行されてもよい。温度制御は、所望の温度設定点に対応するＲ_{ｈｅａｔｅｒ}の設定点値を決定し、かつヒータ駆動をヒータの抵抗設定点値に合わせて制御することにより、実装される。あるいは、温度制御は、既知の抵抗温度係数ＴＣＲに基づいて、ある温度範囲に渡り連続的に実行されてもよい。トランジスタであり得るスイッチ３４０は、ヒータの抵抗を測定するためにオンにされ、次には、Ｒ_{ｈｅａｔｅｒ}がその時点で必要とされる設定点抵抗を上回るか下回るかに依存して、所定の時間間隔に渡りオフにされるか、オンのままにされる。あるいは、スイッチ３４０は、ヒータを必要な電力で駆動するように選択されるデューティサイクルを有するパルス幅変調波形によって駆動されてもよい。いずれの手法においても、スイッチ３４０は、反応面の温度を循環させてＰＣＲ増幅を実行すべく、主ヒータトラックへの電気的駆動を変調するために使用される。 FIG. 3 shows a supply connection V _pos which can be used to drive the main heater track while simultaneously detecting the resistance of the main heater track and calculating the temperature of the main heater track based on the detected resistance. and V _neg are schematic representations of the electronic circuit. Such control circuitry may be included with the heater 100 or may be connected during use of the heater. Referring to FIG. 3, current flows through heater track 130 through positive drive connection 132 and negative drive connection 134 . The heater track is equipped with 4-wire contacts that allow the voltage Vsense across the heater track to be measured using positive and negative voltage _sense contacts 136 and 138 and voltage measurement circuit 310. . The current flowing through the heater track 130 is measured using a current sense resistor 320 with a known resistance R _isense and a voltage measurement circuit 330 to measure the voltage V _isense across the current sense resistor. . The current through the heater is calculated as I _heater =V _isense / _Risense . The resistance of the heater track 130 is then calculated as _Rheater = _Vsense / _Iheater . Feedback-based driving of the main heater track may then be performed according to a series of temperature setpoints. Temperature control is implemented by determining the setpoint value of R _heater that corresponds to the desired temperature setpoint and controlling the heater drive to the resistance setpoint value of the heater. Alternatively, temperature control may be performed continuously over a range of temperatures based on a known temperature coefficient of resistance TCR. A switch 340, which may be a transistor, is turned on to measure the resistance of the heater and then for a predetermined period of time depending on whether R _heater is above or below the required set point resistance at that time. Turned off or left on for an interval. Alternatively, switch 340 may be driven by a pulse width modulated waveform having a duty cycle selected to drive the heater with the required power. In either approach, switch 340 is used to modulate the electrical drive to the main heater tracks to cycle the temperature of the reaction surface and perform PCR amplification.

ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータトラックの温度設定点以上の温度設定点を有する閉ループ制御で動作されてもよく、または、ガード・ヒータ・トラックは、主ヒータエレメントと同じコントローラもしくはオン／オフタイミングで、ただし、ある特有の温度設定点において温度均一性を最適化するように調整されることが可能な異なる駆動電圧で動作されてもよい。 The guard heater track may be operated in closed loop control with a temperature setpoint equal to or greater than the temperature setpoint of the main heater track, or the guard heater track may be operated with the same controller or on/off timing as the main heater element. , but may be operated at different drive voltages that can be adjusted to optimize temperature uniformity at a particular temperature set point.

再度図２を参照すると、この例示的な構成の長手方向および横方向に沿ったセクションＡおよびＢが、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、温度分布を決定すべくシミュレーションされた。これらのシミュレーションの結果は、ガードヒータを使用することによって達成された温度均一性の増加を示している。 Referring again to FIG. 2, sections A and B along the longitudinal and lateral directions of this exemplary configuration were simulated to determine the temperature distribution, as shown in FIGS. 4A and 4B. These simulation results show the increased temperature uniformity achieved by using guard heaters.

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、反応面上の温度分布のシミュレーション結果は、長方形のヒータエリアの中心から長手方向（Ａ）および横方向（Ｂ）のエッジまで得られた。各図において、垂直軸は、温度を示し、水平軸は、中心からの長手方向／横方向に沿った位置を示す。温度分布は、ガードヒータなし（実線）の場合と、ガードヒータあり（破線）の場合を示し、ガードヒータが使用される場合に、より均一な温度分布が示されている。図４Ａおよび図４Ｂの各々には、主ヒータおよびガードヒータの位置が指示されている。 Referring to FIGS. 4A and 4B, simulation results of the temperature distribution on the reaction surface were obtained from the center of the rectangular heater area to the longitudinal (A) and lateral (B) edges. In each figure, the vertical axis indicates temperature and the horizontal axis indicates position along the longitudinal/lateral direction from the center. The temperature distribution is shown without the guard heater (solid line) and with the guard heater (dashed line), showing a more uniform temperature distribution when the guard heater is used. In each of Figures 4A and 4B, the positions of the main heaters and guard heaters are indicated.

図５は、ヒータ１００およびヒートシンク２００を介する別の略断面を示す。図５に示すように、主ヒータトラック１３０は、幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}を有する、幅Ｗ_ｇａｐの間隙により離隔された複数の略平行なトラックセクションを備える。トラックセクションは、間隙幅Ｗ_ｇａｐを画定することが可能である限り、厳密に平行である必要はない。主ヒータトラック１３０から出力される熱は、トラックおよび間隙の幅が有限であることに起因して不均一である。これは、急速な温度変化を達成するには熱拡散層の厚さＨ_Ｄを小さくする必要があることによって悪化される。この実施形態において、熱拡散層の厚さＨ_Ｄは、トラックセクションの最小幅Ｗ_{ｔｒａｃｋ}より少なく、または、間隙の最小幅Ｗ_ｇａｐより少ない。より狭いトラック幅および間隙幅は、反応面における温度均一性を高めるが、これは、ＰＣＢ製造技術の要件などの典型的な設計規則によって制限される。 FIG. 5 shows another schematic cross section through heater 100 and heat sink 200 . As shown in FIG. 5, the main heater track 130 comprises a plurality of substantially parallel track sections having a width W _track separated by gaps of width W _gap . The track sections need not be strictly parallel as long as it is possible to define the gap width W _gap . The heat output from the main heater track 130 is non-uniform due to the finite track and gap widths. This is exacerbated by the need to reduce the heat spreading layer thickness _HD to achieve rapid temperature changes. In this embodiment, the thickness H _D of the heat spreading layer is less than the minimum width W _track of the track section or less than the minimum width W _gap of the gap. Narrower track and gap widths improve temperature uniformity at the reaction surface, but this is limited by typical design rules such as PCB manufacturing technology requirements.

図５は、ヒータおよびヒートシンクがシミュレートされたシミュレーション領域Ｃも示している。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄは、反応面に沿ったシミュレーション領域Ｃ内の温度のシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、Ｗ_{ｔｒａｃｋ}およびＷ_ｇａｐが７５μｍにおいて一定である銅製トラックのヒータを想定し、さらに、ヒータトラック支持層１５０がＦＲ４製であり、かつ熱拡散層１６０がポリプロピレン製であるとした。ヒートスプレッダ層厚さを増加させる効果が、２つの事例について示されているが、各図において、縦軸は、反応面上の温度を示し、横軸は、シミュレーション領域Ｃ内の反応面に沿った、ヒータトラック部分の中心からの位置を示す。図６Ａは、アルミニウム製の反応面ヒートスプレッダ層１７０が熱拡散層内のヒータトラックと反応面１１０との間、ヒータトラックから１０μｍの距離に位置決めされ、反応面ヒートスプレッダ層１８０が省かれているシミュレーション（構成Ａ）の結果を示す。図６Ｂは、アルミニウム製の反応面ヒートスプレッダ層１８０がヒータトラック支持層内の、ヒータのヒータトラックと背面１２０との間、ヒータトラックから５μｍの距離に位置決めされ、反応面ヒートスプレッダ層１７０が省かれているシミュレーション（構成Ｂ）の結果を示す。どちらの事例においても、ヒートスプレッダ層は、温度均一性を高め、ヒートスプレッダ層が厚いほど効果が高く、構成Ａは、構成Ｂより効果が高い。 FIG. 5 also shows a simulation region C in which heaters and heat sinks are simulated. Figures 6A, 6B, 6C and 6D show simulation results of the temperature within the simulation region C along the reaction surface. The simulation assumed a copper track heater with constant W _track and W _gap at 75 μm, and further assumed that the heater track support layer 150 was made of FR4 and the heat spreading layer 160 was made of polypropylene. The effect of increasing the heat spreader layer thickness is shown for two cases, where the vertical axis indicates the temperature on the reaction surface and the horizontal axis indicates the temperature along the reaction surface in simulation region C. , indicates the position from the center of the heater track section. FIG. 6A is a simulation in which the reaction surface heat spreader layer 170 made of aluminum is positioned between the heater tracks in the heat spreading layer and the reaction surface 110, at a distance of 10 μm from the heater tracks, and the reaction surface heat spreader layer 180 is omitted ( The results for configuration A) are shown. FIG. 6B shows a reaction surface heat spreader layer 180 made of aluminum positioned in the heater track support layer between the heater track and the back surface 120 of the heater at a distance of 5 μm from the heater track, with the reaction surface heat spreader layer 170 omitted. Figure 2 shows the results of a simulation (configuration B) with In both cases, the heat spreader layer enhances the temperature uniformity, with thicker heat spreader layers being more effective, with configuration A being more effective than configuration B.

図６Ｃおよび図６Ｄは、反応面ヒートスプレッダ層１７０の位置を変化させたシミュレーション結果を示す。図６Ｃにおいて、反応面ヒートスプレッダは、熱拡散層内に位置決めされ、かつ図６Ｃのグラフ内の凡例に示されている距離は、ヒータトラックの上面とヒートスプレッダ層との離隔を示す。図６Ｄにおいて、ヒートスプレッダは、ヒータ支持層内に位置決めされ、かつ図６Ｄのグラフ内の凡例に示されている距離は、ヒータトラックの下面とヒートスプレッダ層との離隔を示す。いずれの事例においても、ヒートスプレッダは、アルミニウム製であって、厚さ１００ｎｍである。ヒートスプレッダが熱拡散層内に位置決めされる場合、反応面ヒートスプレッダの位置は、温度均一性にほとんど影響しない（図６Ｃ）。しかしながら、反応面ヒートスプレッダがヒータ支持層内に位置決めされる場合、反応面ヒートスプレッダは、温度均一性の略向上をもたらすために、ヒータから１５μｍ以内に位置決めされることが好ましい（図６Ｄ）。この距離は、トラックおよび間隙幅に対応し、中央領域で評価される最小のトラックおよび間隙幅の２０％に相当する。 6C and 6D show simulation results for varying the position of the reactive surface heat spreader layer 170. FIG. In FIG. 6C, the reactive surface heat spreader is positioned within the heat spreading layer, and the distance shown in the legend in the graph of FIG. 6C indicates the separation between the top surface of the heater track and the heat spreader layer. In FIG. 6D, the heat spreader is positioned within the heater support layer, and the distance shown in the legend in the graph of FIG. 6D indicates the separation between the lower surface of the heater track and the heat spreader layer. In both cases the heat spreader is made of aluminum and has a thickness of 100 nm. The position of the reaction surface heat spreader has little effect on temperature uniformity when the heat spreader is positioned within the heat spreading layer (FIG. 6C). However, if the reaction surface heat spreader is positioned within the heater support layer, the reaction surface heat spreader is preferably positioned within 15 μm from the heater to provide substantially improved temperature uniformity (FIG. 6D). This distance corresponds to the track and gap width and corresponds to 20% of the minimum track and gap width evaluated in the central region.

図１において、ヒータ１００は、背面ヒートスプレッダ１９０を含む。この特徴は、本発明の実施形態の全てにおいて必要とされるわけではないが、背面ヒートスプレッダ１９０には、シミュレーションを用いて実証されているように、反応面１１０における温度均一性をさらに向上させるという利点がある。図７Ａおよび図７Ｂは、背面ヒートスプレッダ１９０なし（図７Ａ）と、背面ヒートスプレッダあり（図７Ｂ）のヒータを比較したシミュレーション結果を示す。各図において、上側のプロットは、シミュレーションされたヒータ上の４０℃～６０℃の温度等高線を示す。シミュレーションされたヒータは、破線で示すヒータトラックを含み、短いほうの破線は、主ヒータトラック１３０を示し、長いほうの破線は、ガード・ヒータ・トラック１４０を示す。ヒータトラックより上方では、反応セル７１０が、反応面１１０を有する熱拡散層１６０によって包囲され、よって、反応セルの内容物の温度は、反応面の温度に従って制御されることが可能である。さらに、各図において、下側のプロットは、反応面に沿った（実線、凡例の「Ａ」）、ヒータトラックを切断する平面内（凡例の「Ｂ」）、およびヒータの背面上（凡例の「Ｃ」）の温度プロファイルを示す。図７Ｂは、背面ヒートスプレッダが厚さ１２μｍの銅層から構築されることを想定している。いずれのシミュレーションにおいても、不均一な熱接触を有するヒートシンク２００は、幅０．５ｍｍおよび高さ１．０ｍｍである３つのアルミニウム柱によるセットとして表されている。ジオメトリおよび結果は、位置ｘ＝０を対称面とする２Ｄハーフモデルについて示されている。いずれの事例においても、ヒータの設定温度は、６０℃である。 In FIG. 1, heater 100 includes backside heat spreader 190 . Although this feature is not required in all embodiments of the present invention, backside heat spreader 190 has been shown to further improve temperature uniformity at reaction surface 110, as demonstrated using simulations. There are advantages. 7A and 7B show simulation results comparing heaters without the backside heat spreader 190 (FIG. 7A) and with the backside heat spreader (FIG. 7B). In each figure, the upper plot shows temperature contours from 40° C. to 60° C. on the simulated heater. The simulated heater includes heater tracks shown in dashed lines, with the shorter dashed line representing the main heater track 130 and the longer dashed line representing the guard heater track 140 . Above the heater track, the reaction cell 710 is surrounded by a heat spreading layer 160 having a reaction surface 110, so that the temperature of the contents of the reaction cell can be controlled according to the temperature of the reaction surface. Furthermore, in each figure, the lower plots are along the reaction surface (solid line, legend "A"), in the plane cutting the heater track (legend "B"), and on the back of the heater (legend "B"). “C”) temperature profile. FIG. 7B assumes that the backside heat spreader is constructed from a 12 μm thick copper layer. In both simulations, the heat sink 200 with non-uniform thermal contact is represented as a set of three aluminum pillars 0.5 mm wide and 1.0 mm high. Geometry and results are presented for a 2D half-model with the plane of symmetry at position x=0. In both cases, the set temperature of the heater is 60°C.

図８は、温度設定点５８℃、７３℃および９８℃を用いてサイクル時間４秒で熱サイクリングする、背面ヒートスプレッダありの上述のヒータの過渡応答のシミュレーションを示す。主ヒータトラックの温度は、トレースＡ（破線）で示され、反応面の中心における温度は、トレースＢ（実線）で示されている。 FIG. 8 shows a simulation of the transient response of the heater described above with a backside heat spreader thermally cycling with temperature set points of 58° C., 73° C. and 98° C. with a cycle time of 4 seconds. The temperature of the main heater track is shown by trace A (dashed line) and the temperature at the center of the reaction surface is shown by trace B (solid line).

一例として、本発明によるヒータは、反応へ熱を提供するために使用されてもよい。このような使用において、ヒータの反応面は、試料を含む反応体積を有する反応セルと接触して位置決めされる。反応面を加熱するために、ヒータエレメントは、オンに切換され、ヒータエレメントにより発生される熱は、反応面を通って反応体積へ流れ込む。迅速な冷却が要求される場合、ヒータは、ヒータエレメントがオフにされると、熱が反応面からヒータを通ってヒートシンクへ流れ込むように、その背面でヒートシンクに接触することができる。 As an example, a heater according to the invention may be used to provide heat to a reaction. In such use, the reaction surface of the heater is positioned in contact with a reaction cell having a reaction volume containing the sample. To heat the reaction surface, the heater element is switched on and heat generated by the heater element flows through the reaction surface into the reaction volume. If rapid cooling is required, the heater can contact the heat sink on its back surface such that when the heater element is turned off, heat flows from the reaction surface through the heater to the heat sink.

ヒータがＰＣＲ反応を駆動するためなどの熱サイクリングのために印加される場合、ヒータと試料との間の熱拡散時間は、目標サイクル時間より短いことが有利である。概して、材料試料の熱拡散時間ｔは、
ｔ＝Ｌ^２／Ｄ
によって与えられ、
ここで、Ｌは、材料試料の特性長さスケールであり、Ｄは、材料の熱拡散率である。下表１は、本発明によるヒータの材料の１つの例示的な選択肢を示し、この場合、熱拡散層の熱拡散時間は、１００塩基対のＤＮＡ配列の増幅に約１秒かかると理解されるＰＣＲの反応時間より短い。 When the heater is applied for thermal cycling, such as to drive a PCR reaction, the thermal diffusion time between heater and sample is advantageously shorter than the target cycle time. In general, the thermal diffusion time t of a material sample is
^t = L2/D
given by
where L is the characteristic length scale of the material sample and D is the thermal diffusivity of the material. Table 1 below shows one exemplary choice of material for the heater according to the present invention, where it is understood that the thermal diffusion time of the thermal diffusion layer takes about 1 second to amplify a 100 base pair DNA sequence. Shorter than PCR reaction time.

さらに、ヒータトラック支持層の熱抵抗Ｒ_Ｔは、所与の温度プロファイルおよびヒートシンク温度Ｔ_Ｓｉｎｋおよびヒータ電力ｐ_Ｈｅａｔに対する熱サイクリング時間を最小化するように、最適化されることが可能である。Ｔ_ＬＯＷとＴ_ＨＩＧＨとの間の熱サイクリングに必要とされる時間は、加熱時間が冷却時間に等しいときに最小化され、この条件は、Ｒ_Ｔ＝Ｒ_{Ｔ，Ｏｐｔ}のときに、次式のように満たされる。 Additionally, the thermal resistance R _T of the heater track support layer can be optimized to minimize the thermal cycling time for a given temperature profile and heat sink temperature T _Sink and heater power p _Heat . The time required for thermal cycling between T _LOW and T _HIGH is minimized when the heating time equals the cooling time, a condition where R _T =R _T,Opt : filled like this.

Ｒ_{Ｔ，Ｏｐｔ}＝（Ｔ_ＨＩＧＨ＋Ｔ_ＬＯＷ－２Ｔ_Ｓｉｎｋ）／ρ_Ｈｅａｔ
表２（下記）は、ヒータ電力、最適な熱抵抗および熱サイクル時間の例示的な値を示す。これらは、３０℃のヒートシンク温度で６０℃と９５℃との間を循環する、面積５０ｍｍ^２および熱容量０．０４Ｊ／Ｋの反応面の事例について示されている。 R _{T, Opt} = (T _HIGH + T _LOW - 2T _Sink )/ρ _Heat
Table 2 (below) shows exemplary values for heater power, optimum thermal resistance and thermal cycle time. These are shown for the case of a reaction surface with an area of 50 mm ² and a heat capacity of 0.04 J/K, cycling between 60°C and 95°C with a heat sink temperature of 30°C.

表３（下記）は、熱サイクルが７２℃において持続時間１秒の保持ステップを含む事例に関する、ヒータ電力、最適な熱抵抗および熱サイクル時間の例示的な値を示す。これらは、３０℃のヒートシンク温度で６０℃と９５℃との間を循環する、面積５０ｍｍ^２および熱容量０．０４Ｊ／Ｋの反応面の事例について示されている。 Table 3 (below) shows exemplary values for heater power, optimum thermal resistance and thermal cycle time for the case where the thermal cycle includes a 1 second duration hold step at 72°C. These are shown for the case of a reaction surface with an area of 50 mm ² and a heat capacity of 0.04 J/K, cycling between 60°C and 95°C with a heat sink temperature of 30°C.

図９は、本発明によるヒータ１００における抵抗加熱トラックの代替配置図を示す。この実施形態では、反応面１１０の別々のエリアを個々に加熱するために、２つの主ヒータトラック１３０が隣合わせに配置されている。これらの主ヒータトラックは、いずれも、ガード・ヒータ・トラック１４０によって包囲されかつ分離されている。 FIG. 9 shows an alternative layout of resistive heating tracks in heater 100 according to the present invention. In this embodiment, two main heater tracks 130 are arranged side by side to individually heat separate areas of the reaction surface 110 . Both of these main heater tracks are surrounded and separated by guard heater tracks 140 .

図９の実施形態は、本発明によるヒータに、反応面の複数の個々に温度制御されるエリアの各々に対する主ヒータトラックが如何にして装備され得るかを示している。ガード・ヒータ・トラック１４０は、側方熱流を抑止し、これにより、反応面の個々のエリアの各々が温度制御され得る精度を高める。 The embodiment of Figure 9 shows how a heater according to the invention can be equipped with a main heater track for each of a plurality of individually temperature controlled areas of the reaction surface. Guard heater tracks 140 inhibit lateral heat flow, thereby increasing the accuracy with which each individual area of the reaction surface can be temperature controlled.

図９に示すように、ガード・ヒータ・トラック１４０は、単位面積当たりの電流および熱出力が２つの主ヒータトラック１３０の間で、かつこれらの周囲で異なり得るように、３つの接続部１４２、１４４および１４６を有する。あるいは、各主ヒータトラック１３０には、２つの接続部を有する別個のガード・ヒータ・トラック１４０が装備されてもよい。 As shown in FIG. 9, the guard heater track 140 has three connections 142, 142, 142, 142, 142 so that the current and heat output per unit area can differ between and around the two main heater tracks 130. 144 and 146. Alternatively, each main heater track 130 may be equipped with a separate guard heater track 140 having two connections.

図１０は、熱サイクルに、本明細書に記述しているようなヒータまたは可変温度反応器を制御するための保持ステップが含まれる場合の、熱抵抗の好ましい範囲１００１の一例を示す。ＰＣＲサイクルは、融解ステップ、アニールステップおよび伸長ステップから成り、伸長は、反応の最も時間のかかる部分であることが多く、保持ステップを必要とし得る。本例には、ＰＣＲ反応における伸長のための時間を可能にするために、７２℃において持続時間１秒の保持ステップが含まれる。伸長に必要な時間は、ポリメラーゼの速度および増幅されるＤＮＡ配列の長さに依存して変わり得る。１秒の保持ステップは、典型的には核酸ベースの診断検査に使用される長さである１００～１５０塩基対の範囲の長さを有するＤＮＡ配列の迅速な増幅に適切であり得、より長い配列は、概して、より長い伸長時間を必要とする。保持ステップの持続時間は、最適には、伸長を見込むに足る長さであって、著しく長いものにはならず、そうでなければ、サイクル時間全体が支配され、望ましくない伸長となる。当業者には、上述の例では１秒として例示されている保持ステップ持続時間の調整は、全体的な動作に重大な影響を及ぼすことなく行われ得ることが、容易に理解されるであろう。 FIG. 10 shows an example of a preferred range 1001 of thermal resistance when the thermal cycle includes a hold step for controlling a heater or variable temperature reactor as described herein. A PCR cycle consists of melting, annealing and extension steps, extension being often the most time consuming part of the reaction and may require a holding step. This example includes a hold step of 1 second duration at 72° C. to allow time for extension in the PCR reaction. The time required for extension can vary depending on the speed of the polymerase and the length of the DNA sequence being amplified. A hold step of 1 second may be suitable for rapid amplification of DNA sequences with lengths in the range of 100-150 base pairs, lengths typically used in nucleic acid-based diagnostic tests; Sequences generally require longer extension times. The duration of the holding step is optimally long enough to allow for elongation, but not significantly longer, otherwise the overall cycle time will dominate, resulting in undesired elongation. Those skilled in the art will readily appreciate that adjustments to the hold step duration, illustrated as 1 second in the above example, can be made without significantly affecting overall operation. .

図１０のグラフは、低い熱サイクル時間（実線）およびサイクル当たりの低いエネルギー消費量（破線）の双方を可能にするための熱抵抗の好ましい値範囲（対数スケールに示す）を示し、保持ステップを含む最小の熱サイクル時間ｔ_{ｃｙｃｌｅ}１００４は、熱抵抗が好ましい最大値１００３より大きい場合に望ましくない大きさ（＞５秒）となり、一方で、１サイクル当たりの消費エネルギーＥ_{ｃｙｃｌｅ}１００５は、熱抵抗が好ましい最小値１００２より低い場合に望ましくない大きさ（＞１０Ｊ）となる。要約すると、１サイクル当たりのエネルギー消費量が低い（Ａ_ｃｅｌｌ＝５×１０^－５ｍ^２でＥ_{ｃｙｃｌｅ}＜１０Ｊ）高速熱サイクル（ｔ_{ｃｙｃｌｅ}＜５秒）にとっては、３×１０^－３～３×１０^－２Ｋ．ｍ^２／Ｗの範囲の熱抵抗とセル面積との積Ｒ_{Ｔ，Ｏｐｔ}×Ａ_ｃｅｌｌが好ましい。 The graph in FIG. 10 shows the preferred range of values (shown on a logarithmic scale) for thermal resistance to enable both low thermal cycle times (solid line) and low energy consumption per cycle (dashed line), and the hold step. The minimum thermal cycle time, t _cycle 1004, including is of undesirable magnitude (>5 seconds) when the thermal resistance is greater than the preferred maximum 1003, while the energy consumed per cycle, E _cycle 1005, is Undesirably large (>10J) below the preferred minimum of 1002. In summary, for fast thermal cycles (t _cycle <5 s) with low energy consumption per cycle (E _cycle <10 J at A _cell =5×10 ⁻⁵ m ² ), 3×10 ⁻³ ~3× ^10-2 K. A product of thermal resistance and cell area R _T,Opt ×A _cell in the range of m ² /W is preferred.

上述の実施形態において、ヒータは、ヒートシンクを有するアセンブリ内に設けられる。しかしながら、本発明は、均一な加熱が要求されるが、ヒートシンクは不要である事例にも適用可能である。たとえば、冷却時間がさほど重要でない用途では、ヒートシンクが省かれることがある。 In the embodiments described above, the heater is provided in an assembly with a heat sink. However, the invention is also applicable to cases where uniform heating is required but no heat sink is required. For example, heat sinks may be omitted in applications where cooling time is less critical.

上述の実施形態において、ヒータには、ガード・ヒータ・トラック１４０が装備される。しかしながら、ガード・ヒータ・トラック１４０を設けることに加えて、またはこれを設ける代わりに、主ヒータトラック１３０は、そのエッジの近くでより高い熱出力を有し、かつ反応体積を超えて延びるように設計されてもよい。このより高い熱出力効果は、主ヒータトラックの中央のヒータトラック部分よりも主ヒータトラックのエッジに近い２つ以上のヒータトラック部分間の間隙幅を減らしてヒータトラックの密度を高めることにより、達成されてもよい。あるいは、または追加的に、この効果は、主ヒータトラックの中央のヒータトラック部分よりも主ヒータトラックのエッジに近い１つ以上のヒータトラック部分の幅または高さを減らして主ヒータトラックの抵抗を高めることにより、達成されてもよい。そのエッジに近いヒータエレメントのより高い熱出力は、側方熱流を補償しかつ反応体積に渡ってより均一な温度状態を提供することができる。さらに、ヒータが、必要とされる反応体積を遙かに超えて延びる反応面を有する場合、ガード・ヒータ・トラックおよび主ヒータトラックのエッジ付近の修正の双方を省略することが可能である。 In the embodiments described above, the heaters are equipped with guard heater tracks 140 . However, in addition to or instead of providing the guard heater track 140, the main heater track 130 has higher heat output near its edges and extends beyond the reaction volume. may be designed. This higher heat output effect is achieved by increasing the heater track density by reducing the gap width between two or more heater track portions closer to the edge of the main heater track than the central heater track portion of the main heater track. may be Alternatively or additionally, the effect is to reduce the resistance of the main heater track by reducing the width or height of one or more heater track portions closer to the edges of the main heater track than the central heater track portion of the main heater track. This may be achieved by increasing The higher heat output of the heater element near its edges can compensate for lateral heat flow and provide more uniform temperature conditions across the reaction volume. Furthermore, if the heater has a reaction surface that extends far beyond the required reaction volume, it is possible to omit both guard heater tracks and modifications near the edges of the main heater tracks.

さらに、先の説明では、ヒートスプレッダの各々を含む場合と、含まない場合との比較が評価されている。したがって、読者には、含まれることが好ましいものの、ヒートスプレッダ１７０、１８０および１９０の各々は、本発明の実施形態において省かれ得ることが理解されるであろう。 Further, in the preceding discussion, a comparison was made between including and not including each of the heat spreaders. Accordingly, the reader will appreciate that each of heat spreaders 170, 180 and 190, although preferably included, may be omitted in embodiments of the present invention.

Claims

A thermal cycling heater for performing PCR amplification, comprising:
a heat spreading layer having a reaction surface for transferring heat to the reaction cell;
a heater track support layer having a cooling backside;
a conductive main heater track supported between the heater track support layer and the heat spreading layer;
a four-terminal electrical contact to the main heater track adapted to drive the main heater track and at the same time provide an electrical connection for sensing the resistance of the main heater track;
with
A heater, wherein the lateral dimension of the reaction surface is greater than the thickness H of the heater, such that the area of the reaction surface ^A >H2.

The main heater track comprises a central region having a width W _track and comprising a plurality of substantially parallel track sections separated by gaps of width W _gap , the thickness H _D of the heat spreading layer being equal to the track sections or less than the minimum width _Wgap of a _gap , _Wtrack or _Wgap being evaluated in the central region of the main heater track.

3. The method of claim 2, wherein the gap width _Wgap and/or the width _Wtrack of the track section is less in track sections near the edges of the main heater track than in track sections in the central region of the main heater track. heater.

a guard heater track between the heater track support layer and the heat spreading layer, the guard heater track substantially surrounding the main heater track;
two additional electrical contacts to the guard heater track independent of the four-terminal electrical contact to the main heater track;
A heater according to any preceding claim, further comprising:

The heater track support layer has a temperature of 1×10 ⁻⁴ to 1×10 ⁻² K.V. m ² /W range, more preferably 3×10 ⁻⁴ to 3×10 ⁻³ K.V. 4. A heater according to any preceding claim having a product of thermal resistance and area in the range of m< ² >/W.

A heater according to any preceding claim, further comprising a reactive surface heat spreader layer positioned in contact with or within one of the heat spreading layer or the heater track support layer.

The reaction surface heat spreader layer has a higher thermal conductivity, a higher lateral thermal conductivity, and a lower heat capacity than one of the heat spreading layer or the heater track support layer. 7. The heater according to item 6.

The reaction surface heat spreader layer is positioned within the heater track support layer a distance L _s from the main heater track, where L _s is the heater track width W _track and the heater gap width measured in the central region 8. A heater according to claim 2 or claim 3 and claim 6 or claim 7, _{wherein Wgap} is less than 20% of the minimum value.

A heater according to any preceding claim, wherein a backside heat spreader layer is positioned on the backside.

A heater according to any preceding claim, further comprising a heat sink in contact with the back surface.

A disposable consumable comprising a heater according to any preceding claim and a reaction cell positioned in contact with said reaction surface.

A method of operating a heater or variable temperature reactor according to any preceding claim, comprising driving the main heater track, simultaneously detecting the resistance of the main heater track, and detecting the detected calculating the temperature of the main heater track based on the resistance.

13. The method of claim 12, comprising performing feedback-based driving of the main heater track according to a series of temperature setpoints of the main heater track to cycle the temperature of the reaction surface to perform PCR amplification. Method.

5. The heater is the heater of claim 4, the method further comprising driving the guard heater track to provide a higher heat output per unit area than the main heater track. 14. A method according to claim 12 or claim 13.

A heater or disposable consumable according to any of claims 1-11, further comprising a control circuit configured to perform the method of any of claims 12-14.